PLL的电源管理设计

摘要

锁相环(PLL)是现代通信系统的基本构建模块PLLs通常用在无线电接收机或发射机中，主要提供“本振”(LO)功能;也可用于时钟信号分配和降噪，而且越来越多地用作高采样速率模数或数模转换的时钟源。由于每一代PLL的噪声性能都在改善，因此电源噪声的影响变得越来越明显，某些情况下甚至可限制噪声性能。本文讨论图1所示的基本PLL方案，并考察每个构建模块的电源管理要求。

图1.显示各种电源管理要求的基本锁相环

PLL中，反馈控制环路驱动电压控制振荡器(VCO)，使振荡器频率(或相位)精确跟踪所施加基准频率的倍数。许多优秀的参考文献解释了PLL的数学分析;ADI的ADIsimPLL™等仿真工具则对了解环路传递函数和计算很有帮

助。下面让我们依次考察一下PLL构建模块。

VCO和VCO推压

电压控制振荡器将来自鉴相器的误差电压转换成输出频率。器件“增益”定义为KVCO,通常以MHz/V表示。电压控制可变电容二极管(变容二极管) 常用于调节VCO内的频率。VCO的增益通常足以提供充分的频率覆盖范围，但仍不足以降低相位噪声，因为任何变容二极管噪声都会被放大KVCO倍，进而增加输出相位噪声。

多频段集成VCO的出现，例如用于频率合成器ADF4350的集成VCO，可避免在KVCO与频率覆盖范围间进行取舍，使PLL设计人员可以使用包含数个中等增益VCO的IC以及智能频段切换程序，根据已编程的输出频率选择适当的频段。这种频段分割提供了宽广的总体范围和较低噪声。

除了需要从输入电压变化转换至输出频率变化(KVCO)外，电源波动也会给输出频率变化带来干扰成分。VCO对电源波动的灵敏度定义为VCO 推压(Kpushing)，通常是所需KVCO.的一小部分。例如，Kpushing通常是KVCO 的5%至20%。因此，对于高增益VCO，推压效应增大，VCO电源的噪声贡献就更加举足轻重。

VCO推压的测量方法如下：向VTUNE引脚施加直流调谐电压，改变电源电压并测量频率变化。推压系数是频率变化与电压变化之比，如表1所示，使用的是ADF4350 PLL。

参考文献2中提到了另一种方法：将低频方波直流耦合至电源内，同时观察VCO频谱任一侧上的频移键控 (FSK)调制峰值(图2)。峰值间频率偏差除以方波幅度，便得出VCO推压系数。该测量方法比静态直流测试更精确，因为消除了与直流输入电压变化相关的任何热效应。图2显示 ADF4350 VCO输出在3.3 GHz、对标称3.3 V电源施加10 kHz、0.6 V p-p方波时的频谱分析仪曲线图。对于1.62 MHz/0.6 V或2.7 MHz/V的推压系数，最终偏差为3326.51 MHz – 3324.89 MHz = 1.62 MHz。该结果可与表1中的静态测量 2.3 MHz/V比较。

图2.ADF4350 VCO通过10kHz、0.6v p-p方波响应

电源调制的频谱分析仪曲线图

在PLL系统中，较高的VCO推压意味着VCO电源噪声的增加倍数更大。为尽可能降低对VCO相位噪声的影响，

需要低噪声电源。

参考文献3和参考文献4提供了不同低压差调节器(LDO)如何影响PLL相位噪声的示例。例如，文献中对ADP3334和ADP150 LDO为ADF4350供电时的性能进行了比较。ADP3334调节器的集成均方根噪声为27 μV(40多年来，从10 Hz至100 kHz)。该结果可与ADF4350评估板上使用的LDO ADP150的9 μV比较。图3中可以看出已测量PLL相位噪声频谱密度的差异。测量使用4.4 GHz VCO频率进行，其中VCO推压为最大值(表1)，因此属于最差情况结果。ADP150调节器噪声足够低，因此对 VCO噪声的贡献可以忽略不计，使用两节(假定“无噪声”)AA

电池重复测量可确认这一点。

图3.使用ADP3334和ADP150LDO对(AA电池)供电时ADF4350在4.4GHz下的相位噪声比较

图3强调了低噪声电源对于ADF4350的重要性，但对电源或 LDO的噪声该如何要求呢?

与VCO噪声类似，LDO的相位噪声贡献可以看成加性成分LDO(t), 如图4所示。再次使用VCO超额相位表达式

得到：

或者在频域中为：

其中vLDO(f)是LDO的电压噪声频谱密度。

1 Hz带宽内的单边带电源频谱密度SΦ(f)由下式得出：

以dB表示时，用于计算电源噪声引起的相位噪声贡献的公式如下：

(1)

其中 L(LDO)是失调为f时，调节器对VCO相位噪声(以dBc/Hz表示)的噪声贡献; f; Kpushing是VCO推压系数，以Hz/V表示;vLDO(f)是给定频率偏移下的噪声频谱密度，以V/√Hz表示.

图4.小信号加性vco电源噪声模型

在自由模式VCO中，总噪声为 LLDO值加VCO噪声。以dB表示则为：

例如，试考虑推压系数为10 MHz/V、在100 kHz偏移下测得相位噪声为–116 dBc/Hz的VCO：要在100 kHz下不降低VCO噪声性能，所需的电源噪声频谱密度是多少?电源噪声和VCO噪声作为方和根添加，因此电源噪声应比VCO噪声至少低6 dB，以便将噪声贡献降至最低。所以LLDO应小于–122 dBc/Hz。使用公式1，

求解vLDO(f),

在100 kHz偏移下，vLDO(f) = 11.2 nV/√

给定偏移下的LDO噪声频谱密度通常可通过LDO数据手册的典型性能曲线读取。

当VCO连接在负反馈PLL内时，LDO噪声以类似于VCO噪声的方式通过PLL环路滤波器进行高通滤波。因此，上述公式仅适用于大于PLL环路带宽的频率偏移。在PLL环路带宽内，PLL可成功跟踪并滤 LDO噪声，从而降

低其噪声贡献。

LDO滤波

要改善LDO噪声，通常有两种选择：使用具有更少噪声的LDO，或者对LDO输出进行后置滤波。当无滤波器的噪声要求超过经济型LDO的能力时，滤波选项可能是不错的选择。简单的LC π滤波器通常足以将带外LDO噪

声降低20 dB(图5)。